數字主設備保護雙套化技術實現

　　0引言
　　
　　隨著我國電力工業的發展，電力系統的聯網程度越來越強，單機容量越來越大，經濟效益得到了極大的提高，同時也對電力系統的運行和保護提出了更高的要求。為此，2002年初國家電力公司頒發了138號文《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求繼電保護實施細則》（以下簡稱《反措實施細則》），對線路、母線、主變壓器及發電機變壓器組（以下簡稱發變組）保護裝置提出了一些新的反措要求，提出對主變壓器及100MW以上機組實行雙主雙后雙套化配置，對繼電保護提出了更高的要求，為主設備保護的研究和發展提出了新的課題。為此，有關電力公司組織主設備保護研發運行管理方面的專家，認真學習和研討，并結合長期主設備保護的實踐和運行經驗，為認真落實《反措實施細則》提出了一整套解決方案，供主設備保護設計和制造等部門參考。
　　
　　由于《反措實施細則》和以往的設計思路有較大的差別，因此在保證機組安全運行的前提下，必須采用與時俱進、實事求是的態度認真解決由此引起的相關技術問題。主設備保護，包括變壓器和發變組保護，因其設備本身的復雜性，保護品種眾多，如一套完整的300MW機組有三四十種主后備保護，電壓互感器（TV）、電流互感器（TA）有一二十組，保護出口信號達六七十種，工程中還有新上工程與改造工程之分，按《反措實施細則》實現雙主雙后雙套化配置后，會帶來許多設計、配置等問題，有的在執行《反措實施細則》時由于對主設備保護復雜性不太了解，產生了認識“誤區”。只有認真分析《反措實施細則》，全面理解主設備保護配置，才能消除“誤區”，使主設備保護的安全性、可靠性真正得到全面提高。
　　
　　1配置經驗回顧總結
　　
　　一套完整的300MW機組保護，包含發電機保護、升壓主變壓器保護、高壓廠用變壓器（以下簡稱高廠變）保護及并勵方式的勵磁變壓器保護。這些主要設備的保護按作用可分為短路故障保護和異常運行保護。反應短路故障的保護應有主保護和后備保護，主保護是滿足系統穩定和設備安全要求，以zui快速度有選擇地切除被保護設備；后備保護是主保護或斷路器拒動時，用以切除故障的保護。表1和表2對發電機和主變壓器保護作了簡單描述和歸類。　　
　　按照有關技術規程及反措條例，各大電力設計院幾十年的經驗積累，主設備保護有過幾次的“四統一”典型設計。1999年電力規劃設計總院聯合六大設計院編制的300MW機組數字保護典型設計方案，具有以下顯著特點。
　　
　　1.1大機組主保護雙重化且回路獨立
　　
　　當發電機與主變壓器之間沒有斷路器時，裝設發電機縱差保護、變壓器縱差保護以及發變組大差動保護。若它們之間有斷路器，發電機縱差保護和主變壓器差動保護分別裝設雙套。從而發電機和主變壓器的主保護都是雙重化的。
　　
　　配置時，發電機縱差、主變壓器差動及高廠變差動與發變組差動保護置于不同的柜體，且它們的TA二次回路設計時也予以獨立，即從輸入回路到出口回路同一元件的雙重化的主保護回路*獨立，保護的可靠性得到了保證。
　　
　　1.2后備保護保護機組本身
　　
　　有關規程明確指出，大機組所在電廠一般出線為220kV及以上電壓等級，這些母線和線路均要求配置雙套快速主保護，其近后備保護也比較*，不再需要發變組保護為其提供遠后備。因此發變組保護的后備保護，其作用僅僅是作為發變組主保護的后備保護，且是*的。
　　
　　1.3加強主保護、簡化后備保護
　　
　　由于在大機組上推廣了主保護雙重化，后備保護動作機會大大減少。近幾年保護裝置運行情況分析表明，發電機、變壓器各種后備保護正確動作率比較低，如低阻抗保護，正確動作率僅30％。一些專家特別提出了加強主保護、簡化后備保護的意見。實踐也表明，這是一條簡明實用的原則，兼顧了保護可靠性和安全性的要求。
　　　　1.4主后備保護回路獨立
　　
　　按有關規程發變組保護中的后備保護是近后備作用，是當主保護拒動時再起保護作用的。為提高其可靠性，主保護和后備保護宜做到回路彼此獨立。
　　
　　在工程設計時，差動保護用TA與后備保護用TA是獨立的，它們的其他保護回路也*獨立。晶體管型和集成電路型保護用硬件搭建，主后備保護回路*獨立顯而易見，“四統一”數字保護典型設計中主后備保護分別置于不同的柜中，全部回路*獨立。
　　
　　結合以上幾點可以知道，對于發電機相間故障，配置有2套*獨立的主保護和與之又獨立的后備保護（變壓器保護也是如此），這種配置稱為“雙主一后”配置原則，保護的可靠性得到了充分保證。
　　
　　實際工程中，以上幾點經驗得到了設計制造部門的廣泛認可，甚至100MW機組保護大都也是這樣的配置原則。
　　
　　2《反措實施細則》要求及分析
　　
　　2.1目的要求
　　
　　《反措實施細則》2.11條指出，繼電保護雙重化配置是防止因保護裝置拒動而導致系統事故的有效措施，同時又可大大減少由于保護裝置異常、檢修等原因造成一次設備停運現象。雙套化配置的保護裝置之間不應該有任何電氣，每套保護裝置的交流電壓、交流電流應分別取自TV和TA互相獨立的繞組，還應充分考慮到運行和檢修時的安全，當運行中的一套保護因異常需要退出或檢修時，不影響另一套保護正常運行。
　　
　　《反措實施細則》對100MW及以上容量的發變組數字保護特別提出了在雙重化前提下的雙套化配置要求。每套保護均含完整的主保護及后備保護，能反應被保護設備的各種故障及異常狀態，并能動作于跳閘或信號。
　　
　　歸納起來有以下2點：
　　
　　a.必須配置雙套保護且相互獨立；
　　
　　b.每一套主后備保護必須完整，且能真正承擔主后備保護功能，以備獨立運行。
　　
　　可以看出，《反措實施細則》提出“一套”的概念就是一整套能夠承擔機組安全、穩定運行的保護裝置。在一套內，必須具有完整的差動保護配置和后備保護配置，并且差動保護和后備保護必須能真正完成相應的功能，即規程指出的，主保護是短路故障的快速保護，后備保護當主保護拒動時還能起保護作用。
　　
　　2.2TA，TV的配置要求
　　
　　《反措實施細則》明確指出雙重化的雙套保護之間不應有電氣，TA及TV要相互獨立。但在一套保護裝置中的主后備保護的TA是否要獨立，按照雙套化實施的初衷是為了讓每一套保護能獨立運行，則規程要求它們宜相互獨立以提高其可靠性。但由于雙套化配置，這樣要求將會使TA回路數增加至難以接受。因此，結合國內外經驗，考慮到TA回路較簡單可靠，一套保護的主后備保護可共用TA回路。這樣在每一電壓等級側只需要配置2組TA回路，分別供2套保護用。
　　
　　但在廠變高壓側還存在問題。*，廠變高壓側在沒有實行雙套化時，就需配置2組保護用TA，一組大變比TA是按主變壓器短路容量校核的，供主變差動或發變組差動保護用；另一組小變比TA按廠變短路容量校核，供廠變差動及其后備保護用。雙套化后，按每套保護獨立原則，廠變高壓側保護用TA就需配置4組，還有錄波用TA和計量用TA，成本高，沒有安裝空間。解決方法之一是大小變比TA合二為一，用一個中間變比值TA代替，這還需各方面專家計算論證。
　　
　　關于TV配置，要做到每套保護交流電壓取自獨立的TV，方法一是直接增加TV數，成本翻倍；方法二是增加一個二次繞組，使TV二次側由2個增加到3個繞組，這在新上工程可行，改造工程更換TV不太現實；方法三是配置熔斷器，相對簡單，但改造工程時也須重新鋪設電纜，在3Uo零序電壓回路上也不適宜。
　　
　　匝間保護若采用零序電壓原理，須在機端設立一個TV，其一次中性點與發電機中性點相連。若需雙套化，須再增加一組這樣的TV繞組，方法同上。
　　
　　2.3主后備保護其他回路的獨立要求
　　
　　按表1、表2可知，這里的主后備保護是指發電機內部相間短路時差動主保護和過流（或復合電壓過流）等后備保護，變壓器內部相間和接地短路時差動主保護和各側繞組過流（或復合電壓過流）等相間短路后備保護及零序過流等接地短路后備保護。按照雙套化配置要求，每套保護含有完整的主后備保護，使其可以單獨運行，這必然要求每套保護中的主后備保護回路彼此獨立，以提高可靠性。TA二次回路因成本昂貴，且認為其可靠性較高，主后備保護共用一組TA。但保護裝置內的主后備保護回路必須獨立，因為這些回路一般包含電源、濾波、采樣、出口等，遠比TA回路復雜，見圖1。主后備保護共用保護回路的后果是，若因上述保護共用回路出現問題使主保護拒動，后備保護也會拒動，根本不滿足規程對主后備保護的要求。
　　
　　對于目前個別的主后備保護一體化設計思想，即把發變組保護都做在一個機箱內，主后備保護共用一組TA、一套電源和CPU硬件系統，若需雙重化再復制一套。這種配置嚴重違背了繼電保護有關規程，也不符合《反措實施細則》有關條例。因為這樣的雙套化配置，其每一套都是不完整的。在2套并列運行且都正常時，只是2套中的主保護能真正起作用（在主后備保護原理上互補的保護區內除外），若其中一套主保護硬件回路出現問題，共用此回路的后備保護也有問題，實際上是“雙主無后”的配置，可靠性不如*獨立的“雙主一后”配置方案。若因某種原因，需一套保護單獨運行，同樣的分析道理可以知道，此時只是其中主保護能真正起作用。這樣后備保護不管是雙套運行還是單套運行，結果都是形同虛設，只有誤動的機會。
　　
　　2.4主保護雙重化配置要求
　　
　　配置發電機差動、變壓器差動和發變組差動保護，從功能上分析已經使發電機和變壓器主保護雙重化，這也是《反措實施細則》頒布前對于發變組單元接線主保護雙重化的配置原則。現在的問題是*雙套化后，每套保護內是否還需要這樣的雙重化配置或全部發電機變壓器均雙重化配置。本文認為因某種原因若需要一套保護獨立運行，其運行的時間可能較長，大機組單套保護還是需要這樣主保護雙重化配置，容量可以從300MW以上開始。當然，這里的主保護雙重化，必須做到保護回路的相互獨立，否則毫無意義。
　　
　　2.5一些特殊保護只能配置單套
　　
　　目前轉子接地保護大多采用注入式和乒乓式，由于保護原理的要求，這兩種保護均不能雙套化，否則會相互影響導致測量失誤。若采用一套運行一套備用，需要時再相互切換的方式，必須在設計時考慮好回路，保證帶電切換時的安全性和保護裝置的可靠性。
　　
　　對于其他注入式保護，如定子注入式接地保護，因其能在啟停機時對定子繞組起到單相接地故障檢測，國外應用十分普遍，國內有的部門也在研究開發，若要求雙套化，也存在同樣問題。
　　
　　非全相保護和失靈啟動保護，《反措實施細則》給出了詳細的構成原理，只是非常復雜，并且提出這兩種保護由于其重要性只配置一套。
　　
　　這些只能運行一套的保護，如何與雙套化運行的其他保護配合，設計運行部門也應予以關注。
　　
　　2.6雙套化后對保護裝置的性能要求
　　
　　雙套化配置后，保護數量翻了一倍，誤動的機率增加了一倍，對保護裝置的防誤動性能提出了*的要求，否則機組保護的正確動作率會更低。同樣對于防拒動而言，由于存在每套保護單獨運行的要求，每套保護的防拒動性能要求也一點沒有降低。這些都給主設備保護研發制單位提出了新的機遇和挑戰。如何應用《反措實施細則》更好地為電力系統服務，是設計、制造、運行部門共同關心的課題。
　　
　　2.7數字保護N-2的可靠性要求
　　
　　《反措實施細則》從保護機組安全的角度提出了雙套化要求，其實質是全面提高保護的安全性和可靠性，將原來數字保護已有的N-1硬件可靠性的要求提高到N-2的水平。在《反措實施細則》實施以前，數字保護已經全面推廣N-1可靠性要求。在單一裝置硬件故障時，不會使機組失去保護，不會影響機組運行。《反措實施細則》實施后，將大機組保護可靠性的要求提高到N-2，充分反映國家電力公司對大型機組運行安全性的重視。
　　
　　3數字保護雙套化實現的技術方案
　　
　　3.1數字保護配置上的幾個“誤區”
　　
　　數字保護和傳統保護相比有許多特點，其中之一是信息共享，同一套硬件系統可以完成多個保護功能甚至全部保護功能。但由于此特點，用同一硬件實現的各保護存在“一損俱損”的現象，主保護因某一回路故障（如電源）而拒動，后備保護也起不了替補作用，可靠性顯然不如傳統積木式組合的保護高。但也沒有必要一套硬件僅完成一種保護功能。要辯證合理地利用數字保護的硬件系統，做到硬件某一回路損壞時，保護仍能滿足規程需要即可。
　　
　　因此在數字保護執行雙套化要求時，應該防犯以下幾種“誤區”。
　　
　　a.“誤區”1：同樣的保護置于同一套硬件系統之中。由于通道、數據、軟件均相同，其計算結果必然相同，起不了互補的作用，效果只等同于一套該保護。
　　
　　如根據配置要求，需要配置2套發電機差動保護，設計時此2套發電機差動保護應避免放置于同一硬件中。因為在同一硬件中放置再多的發電機差動保護，如果是相同原理，也只相當于配置了一套。
　　
　　b.“誤區”2：同一硬件系統中放置主后備全套保護。由于在一套硬件中完成的所有保護都共享該套硬件，如硬件發生故障可能失去所有的保護。在享有數字保護大資源的同時，也必須意識到數字保護大資源所帶來的風險。國內外大都實行楊奇遜院士提出的多層硬件系統分解這種風險辦法，這能更好地為變壓器和發電機等一次設備服務。
　　
　　為了說明這種風險的存在，以一種情況為例。如果一機組從保護配置安全性、可靠性出發，需要配置30種保護，但如果采用圖2（a）的方法，將全部30種保護都置于一套硬件中，顯然不能夠獨立地承擔保護機組安全的重任，因為再可靠的硬件也會發生故障，一旦某一硬件回路發生故障，機組將*失去保護功能。采用規避風險、分解風險的方法將同樣的30種保護合理地分布于2個不同硬件系統中，如圖2（b）所示，不但實現同樣的保護配置，而且能*規程的要求。　　3.21x4模式實現雙套化
　　
　　數字保護的硬軟件技術發展很快，許多制造主設備保護的公司都具備了將全套保護置于同一硬件系統的能力。這時很容易忽視一些原則，使得有些保護配置方法表面上看起來雙套化了，而仔細推敲卻違背《反措實施細則》。如圖3所示是一種極容易引起概念模糊的方案。圖中，假如某300MW發電機組需要30種保護，現將全套保護置于同一硬件系統，如A柜所示，然后又復制到B柜。　　
　　表面看，保護品種數目滿足了雙套化的要求，因為在A，B柜中都包含機組所需的30種保護配置。但是，其中的任何一個柜（A柜或B柜）都不能單獨成為滿足規程要求的保護裝置，因此，圖3并不是《反措實施細則》中真正意義上的“雙套”配置，其實是剛滿足規程要求的“一套”配置。
　　
　　主后備保護一體化裝置要實現《反措實施細則》的雙套方案，必須按照圖4的解決方法。即采用A，B，C，D4個工程柜的方案。A，B柜構成完整的一套，C，D柜構成另一套，合起來組成雙套配置。將圖4的模式簡稱為1x4模式，該模式適用于主后備保護一體化裝置。　　僅用A，B，C3個柜也不能滿足獨立雙套要求。因為從保護品種組合看A，B，C柜方案滿足雙套要求了，但由于現場不可能提供*獨立的3套TA及TV，A，B，C柜中必有一個柜（如C柜）的TA，TV和其他的一個柜（如A柜）或2個柜（A，B柜）公用，當公用回路發生故障時，仍然達不到《反措實施細則》規定的可停柜檢修的目的。
　　
　　顯然圖4的解決方案占用了大量的柜空間，成本高，同時TA必須承擔2個柜（如A，B柜）的負載，TA大量復用，一定程度上降低了保護的安全性，在實際應用中并不可取。
　　
　　3.32+2模式實現雙套化
　　
　　數字保護技術的發展，高集成的硬件完成主后備全套保護是容易的，但存在巨大的風險。應該從滿足規程要求出發，采用主后備保護分布配置規避高集成度帶來的風險。
　　
　　長期以來，在主設備保護中形成了“強化主保護，簡化后備保護”的設計思想，其指導思想是強化機組中起主導作用的主保護，如差動、定子接地、過電壓、失磁等，簡化起后備作用的保護。同時指出，由于機組的故障非常復雜，實際故障過程遠沒有分析準確完整，因此，鼓勵不同原理和方案的互補型保護同時應用，zui大限度地保護機組安全。
　　
　　同時，主保護和后備保護的合理分開和相互獨立，有利于保護的安全性。
　　
　　針對某300MW機組，單套需要配備發電機縱差動、變壓器差動、發變組差動、發電機裂相差動、單元件橫差、過電壓、過勵磁、負序過流、反時限負序過流等保護。下面分析如何從可靠性角度分配所配置的保護。
　　
　　由于發變組差動和發電機差動、變壓器差動保護之間存在互補性；發電機裂相差動和單元件橫差保護之間存在互補性；過電壓和過勵磁之間存在互補性；負序過流、反時限負序過流之間存在互補性；等，如果在保護配置時照顧到保護原理之間的這種互補，在總配置不變的條件下，可以達到以*的配置完成zui可靠的機組保護的目的。
　　
　　圖5是這一設計的具體實現（圖5（a）為滿足《反措實施細則》的一套完整保護，（b）為滿足《反措實施細則》的另一套保護）。在A柜中，采用兩層獨立的硬件系統，在A柜的一個硬件系統中分配有發電機差動、變壓器差動、發電機裂相差動、過電壓、負序過流等保護，而在另外一個硬件系統中分配有發變組差動、單元件橫差、過勵磁、反時限負序過流等保護。當A柜中任何一層硬件系統發生故障時，快速保護依然存在，并且后備保護也存在，這時仍然是一套主后備完整的保護。再加上B柜的相同配置，依然有獨立的三重快速保護對機組起保護作用。因此對機組的保護仍然是十分安全和可靠的。將圖5模式簡稱為2+2模式，該模式適用于主后備保護分布配置的裝置。
　　不同原理的兩套保護實現雙套化鼓勵采用不同原理的產品共同構成滿足《反措實施細則》雙套化的解決方案，對機組更安全。
　　
　　3.BB，Siemens雙套化方案
　　
　　ABB構成一套保護經常采用Reg216+216C或Reg216+316方式，因此構成滿足《反措實施細則》的解決方案，見圖6。　　
　　Siemens在規避高集成風險方面一直做得比較好，在分配保護時已經將保護分置于不同的硬件回路中，這樣能更好地保護機組安全。當然，硬件過于分散成本會大大提高，安全性的提高也不再明顯。
　　
　　3.6如何判定雙套化滿足《反措實施細則》
　　
　　從上面的多項分析可以看出，各種雙套化方案是否滿足《反措實施細則》，不僅要看配置的數目，還需具體分析，數字保護必須要規避高集成度帶來的風險。更簡單的判別方法是，在進行保護方案設計時將設計過程分成兩部分完成。
　　
　　a.在保護配置設計時，以一套保護設計為指導思想，此時設計應*原規程要求，考核這一套能否長期、獨立、完整、安全地完成保護功能。如能夠，則這就是完整的一套保護裝置。
　　
　　b.將上述的一套再重復配置，即雙套化。
　　
　　經過以上兩步考慮，可以zui大限度地規避風險，避免一些認識上的誤區。
　　
　　4結論
　　
　　《反措實施細則》提出了雙套化的配置要求，且每套保護必須具有完整的獨立的主后備保護配置，同時要求每套保護之間電氣上要*分開和獨立，提高對機組的保護能力以及單套保護裝置獨立運行能力。對實現上述目的的實現過程，應該加強設計、制造、運行、管理各部門協調*，使保護裝置真正做到安全可靠，為電力系統安全穩定運行作出貢獻。就此分析得出以下幾點結論。
　　
　　a.2個和多個相同保護置于同一數字保護硬件中，效果等同于一個保護。
　　
　　b.主后備全套保護置于一套硬件系統，實際上是一套不完整的保護，不能起到主后備作用，是不符合規程要求的。
　　
　　c.主后備保護一體化裝置的雙套化不滿足《反措實施細則》的要求。
　　
　　d.2+2模式適用于大容量主設備繼電保護，它滿足《反措實施細則》雙套化要求，滿足繼電保護規程要求。
　　
　　e.《反措實施細則》實際上將數字保護原來推行的N-1的可靠性要求，提高到了N-2，以保證機組的安全穩定運行。
　　
　　f.數字保護應全面分析保護配置和保護裝置可靠性的關系，以保證機組的安全。
　　
　　建議雙套后TA，TV的共用及保護的增多帶來的其他管理、運行問題應引起足夠關注，要組織專題研究。
　　
　　另外，對新建工程和改造工程需區別對待。對那些做不到電氣上*獨立的雙套保護的改造工程，就不應強求雙主雙后雙套化配置，而應集思廣益充分做好單套保護的安全性和可靠性，否則會給運行和管理帶來許多不便。